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战列舰

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楼主: 克虏伯火炮

舰用蒸汽轮机简介

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一等兵

三年服役纪念章

发表于 2014-8-30 16:39:11 | 显示全部楼层
啃不下来也要啃啊!
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五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-9-25 10:27:24 | 显示全部楼层

关于油耗

本帖最后由 克虏伯火炮 于 2014-9-25 11:20 编辑

油耗有很多衡定方法,适用于不同的计算。

单位里程油耗对于评定船舶的续航力是最直观最有价值的参数之一,是在某船某航速下平均每航行1海里所消耗的燃油量。显然,理论上该船的燃油装载量除以单位里程油耗,就是在该航速下的续航里程。
不过,单位里程油耗用得不多,与单位里程油耗息息相关又应用更多的是燃油消耗率,它的单位是吨/时,即某船某航速下每小时消耗掉的燃油重量。燃油消耗率除以对应的航速,就是该船在该航速下的单位里程油耗。
以衣阿华级战列舰为例,在56500吨排水量下16.4节航速的平均燃油消耗率为9.56吨/时,单位里程油耗0.583吨。因此在装载7892长吨重油的时候续航力约为13325海里。不过上述燃油消耗量数据是在接近满载排水量条件下的平均值,而随着燃油的消耗,舰船排水量和吃水逐渐减小,因此同样航速所需的推进功率逐渐减小,导致实际续航力比计算值稍大。资料里该级舰该航速下的续航里程为14150海里。
同样,17.9节时平均燃油消耗率11.3吨/时,续航里程13050海里,单位里程油耗0.631吨。
24.3节时平均燃油消耗率22.2吨/时,续航里程9040海里,单位里程油耗0.914吨。
28.2节时平均燃油消耗率36.8吨/时,续航里程6320海里,单位里程油耗1.305吨。
29.2节时平均燃油消耗率43.5吨/时,续航里程5550海里,单位里程油耗1.490吨。
注,多数国家的满载排水量数据,都是燃油舱装载85%左右的条件。衣阿华级战列舰在燃料舱装满95%的时候能装在8841长吨重油,计算得16节续航力约16090海里,19节续航力约13800海里,24节续航力约10300海里,28节续航力约7260海里。

黎塞留号战后试航时:
输出功率25635马力时航速17.10节,燃油消耗率12.8吨/时,单位里程油耗0.749吨。
输出功率25755马力时航速17.85节,燃油消耗率11.8吨/时,单位里程油耗0.661吨。
输出功率21995马力时航速18.42节,燃油消耗率11.1吨/时,单位里程油耗0.603吨。
输出功率46120马力时航速22.71节,燃油消耗率17.8吨/时,单位里程油耗0.784吨。
输出功率137160马力时航速30.38节,燃油消耗率44.2吨/时,单位里程油耗1.455吨。
注:因受到各种客观因素的影响,如风速航向和辅机功率等,同一艘船舶在同一航速下航行时的燃油消耗率也是有波动的,因此黎塞留号试航的燃油消耗率相互抵触也是正常的。
可见,黎塞留号在高速下的单位里程油耗与衣阿华级十分接近,低速下稍微高一点。若装载6900吨燃料,则其18节续航力约10000海里,30节续航力约4750海里。

请注意,单位里程油耗和燃油消耗率综合受到船舶排水量、海军系数和动力系统热效率的影响。显然,在动力装置热效率一定的前提下,排水量越大、海军系数越小的船,因其在确定航速下所需推进功率更大,会导致燃油消耗率就更大。所以我们不能仅从这两个数据就判定某船的动力装置热效率高低。

如果想衡量动力装置的热效率,就需要比较单位油耗。
单位油耗就是燃油消耗率除以相应输出功率,单位是克/马力时,即折算为动力装置每输出1马力功率、持续1小时所消耗的燃料量。单位油耗乘以燃料发热值,倒数再乘以3600再乘0.746,结果就是装置热效率。

黎塞留号航行测试数据如下:
137160马力约91%负荷率,燃油消耗率44.2吨/时,单位油耗322克/马力时;
46120马力约31%负荷率,燃油消耗率17.8吨/时,单位油耗386克/马力时;
25755马力约17%负荷率,燃油消耗率11.8吨/时,单位油耗458克/马力时;
25635马力约17%负荷率,燃油消耗率12.8吨/时,单位油耗499克/马力时;
21995马力约15%负荷率,燃油消耗率11.1吨/时,单位油耗505克/马力时;

俾斯麦号主机输出功率、负荷率和单位油耗的关系如下:
3×4.6万马力,即100%负荷率,单位油耗325克/马力时;此时燃油消耗率44.85吨/时,对应航速29节,单位里程油耗1.547吨。
3×3.85万马力,即84%负荷率,单位油耗320克/马力时;此时燃油消耗率36.95吨/时,对应航速大约在27节,单位里程油耗约1.4吨。
3×2.33万马力,即51%负荷率,单位油耗335克/马力时;此时燃油消耗率23.42吨/时,对应航速大约在23-24节,单位里程油耗约1吨。
3×1.3万马力,即28%负荷率,单位油耗370克/马力时;此时燃油消耗率14.43吨/时,对应航速大约在19-20节,单位里程油耗约0.8吨。
3×0.83万马力,即18%负荷率,单位油耗415克/马力时;此时燃油消耗率10.33吨/时,对应航速大约在16-17节,单位里程油耗约0.65吨。
3×0.5万马力,即11%负荷率,单位油耗500克/马力时;此时燃油消耗率7.5吨/时,对应航速大约在13-14节,单位里程油耗约0.6吨。

可见,黎塞留号和俾斯麦号两者的动力系统相比,高负荷率下单位油耗基本相等,而随着负荷率的下降,前者单位油耗上升幅度比后者略大,即低功率下前者的热效率下降幅度比后者略大。

大和号公试数据如下:
主机出力166120马力,即超负荷下27.68节,燃油消耗率62.7吨/时,单位油耗377克/马力时,单位里程油耗2.265吨;
出力151707马力即100%负荷率下27.3节,燃油消耗率57.5吨/时,单位油耗379克/马力时,单位里程油耗2.106吨;
最大巡航状态44790马力,负荷率30%,21.54节,燃油消耗率20.5吨/时,单位油耗458克/马力时,单位里程油耗0.952吨;
全速巡航状态30739马力,负荷率20%,19.23节,燃油消耗率14吨/时,单位油耗455克/马力时,单位里程油耗0.728吨;
基准速度出力17432马力,负荷率12%,15.91节,燃油消耗率7.71吨/时,单位油耗442克/马力时,单位里程油耗0.485吨。
可见大和号在中高负荷率下单位油耗要比前两者明显高一些,但在低负荷率下差距不大,尤其是在“基准速度”状态下其单位油耗明显低于黎塞留号和俾斯麦号。

衣阿华级战列舰,按照17.45节的功率数据即2.14万马力,以及17.1节和17.9节的平均油耗即2717加仑/小时计算,则此工况状态(10%)下单位油耗为463克/马力时;
按照22.52节的功率数据即5万马力,以及21.9节和22.7节两个数据下的22.5节折算油耗即4999加仑/小时计算,则此工况状态(23.6%)下单位油耗为367克/马力时;
按照24.96节的功率数据即6.66万马力,以及25节的油耗即6569加仑/小时计算,则此工况状态(31.4%)下单位油耗为362克/马力时;
按照28.08节的功率数据即10.97万马力,以及28.2节的平均油耗即10011加仑/小时计算,则此工况状态(51.7%)下单位油耗为335克/马力时;
按照29.41节的功率数据即14.15万马力,以及29.2节和29.6节的平均油耗即12372加仑/小时计算,则此工况状态(66.7%)下单位油耗为321克/马力时;
可见与俾斯麦号相比,在中高负荷率下两者动力装置热效率十分接近,而在低负荷率下衣阿华级战列舰的热效率稍高些。
小结:
衣阿华级、黎塞留号、俾斯麦号三者相比,高功率下机组热效率基本相同,低负荷率下衣阿华级稍高,黎塞留号稍低。大和号与三者相比,高功率下机组热效率明显低些,低负荷率下与黎塞留号接近,但在“基准速度”状态下单位油耗甚至比衣阿华级还低。
从影响所需推进功率的海军系数来看,衣阿华级、黎塞留号和俾斯麦号三者中,衣阿华级虽然排水量大些,但长宽比大,海军系数大,因此单位里程油耗比黎塞留还少些,而俾斯麦号海军系数则较小,与黎塞留单位里程油耗偏大,在16节左右才因机组热效率比黎塞留高些而扳平。
大和排水量大,高速下单位里程油耗明显高于前三者,但低速下其海军系数相当高,导致低速下单位里程油耗与前三者接近甚至更低。
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上将

六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

发表于 2014-9-25 11:07:59 来自手机 | 显示全部楼层
本帖最后由 mathewwu 于 2014-9-25 11:13 编辑
克虏伯火炮 发表于 2014-9-25 10:27
油耗有很多衡定方法,适用于不同的计算。

单位里程油耗对于评定船舶的续航力是最直观最有价值的参数之一, ...


光是22樓的資料就夠另成一精華帖了。

克版主功德無量!

建議修改主題加入油耗以方便搜索。
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列兵

二年服役纪念章

发表于 2014-9-25 13:38:23 | 显示全部楼层
好帖啊,对于非动力专业的人来说堪称是及时雨啊
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二等兵

二年服役纪念章

发表于 2014-9-25 19:26:27 | 显示全部楼层
嗯,版主前辈此贴真是令人醍醐灌顶啊
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列兵

二年服役纪念章

发表于 2014-10-2 23:37:34 | 显示全部楼层
好高深的东西。。。只能看懂一部分。。。
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禁止发言

二年服役纪念章

发表于 2014-10-9 17:09:41 | 显示全部楼层
这类在国防大学里算什么专业啊
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-10-9 18:43:50 | 显示全部楼层

关于衣阿华号的航行油耗

    在22楼中,我对于衣阿华级单位油耗的估算,是基于该级舰的航行油耗数据,和衣阿华号1985年试航时的航速、主轴转速、扭矩、功率记录对照推算而来的。这其中会引入一些误差,致使结果不一定准确。这里根据更加可信的数据稍作修正:

    77版主指示了更加明白准确的数据,同样是1985年衣阿华号试航的记录,如下表,其中明确(或者说就是专门测试)给出了它的航行油耗:


                   表1   衣阿华号1985年试航数据
    第一列为航速节,第二列为主轴转速rpm,第三列为指示功率马力,第四列为燃油消耗率加仑/小时,第五列为燃油消耗率磅/小时,第六列为单位油耗磅/马力时。(第四第五列数据之间互有微小出入,即折算的燃油密度各有微小差别。另外20.9节状态下单位油耗应为0.782磅/马力时,资料上印错了一个数字)
    请注意,此次试航使用的是密度为0.85克/毫升(7.08磅/加仑)的轻柴油,它的单位质量发热值稍高于以前所使用的重油,轻柴油热值大都为42-43MJ/千克,而重油大都为40-41MJ/千克。因此若设备性能和状况没有差别,使用轻柴油时的燃油质量消耗率会比使用重油时的相应小些。
    作为对照,看一下衣阿华级的航行油耗数表:


                表2   衣阿华级航行油耗
    将两个表格中的数据进行对照可见,表1中各航速状态下的燃料质量消耗率,要比表2中相应航速下的平均燃料质量消耗率稍低,均接近表2中浮动范围的下限。如表1在14.9节航行状态下燃油质量消耗率为17754磅/小时,而表2在14.7节时平均就已达到17791磅/马力时;而同样在29.2节航行状态下表1的燃油质量消耗率为88681磅/小时,而表2中则为95831磅/小时,按照下限即10772加仑/小时计算,则是87113磅/小时,即前者接近后者的下限数值。
    以上结果可以说在我们的预料之中,同时也可见两个表格中数据组的相符性很好。


    基于表1中的数据,按照衣阿华号动力装置额定总功率为21.2万马力计算,则:
负荷率 6.3%状态,单位油耗606克/马力时;
负荷率18.3%状态,单位油耗355克/马力时;
负荷率28.8%状态,单位油耗309克/马力时;
负荷率42.6%状态,单位油耗297克/马力时;
负荷率65.2%状态,单位油耗291克/马力时;
负荷率87.9%状态,单位油耗302克/马力时。
最低单位油耗约290克/马力时。若考虑到此次用的是轻柴油、单位质量燃料发热值为重油的105%左右,则折算成重油时单位油耗大约为305克/马力。当然,这种折算尚有很多因素没有考虑,仅可作参考。

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上士

五年服役纪念章

发表于 2014-11-1 16:25:21 | 显示全部楼层
多谢,实在是受益良多,顺便提问一下,美国有一些战列舰似乎因主轴加工能力不足(此为道听途说)——“田纳西”级战列舰“田纳西”号(BB43)和“加利福尼亚”号(BB44)以及后来的“科罗拉多”级战列舰“科罗拉多”号(BB45)和“马里兰”号(BB46)都采用了涡轮机电力推进,后来的战列舰因为重量限制回归了齿轮减速,电力推进对于耗油率是否有影响,比如单机最佳工况下驱动双轴之类的?
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-11-2 01:38:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2014-11-2 01:50 编辑
g1447981787 发表于 2014-11-1 16:25
多谢,实在是受益良多,顺便提问一下,美国有一些战列舰似乎因主轴加工能力不足(此为道听途说)——“田纳 ...

齿轮减速器仍受限于传动比,尤其是当时主要是一级齿轮减速,减速比有限,所以主机转速仍达不到理想的高转速。这有两方面影响,1是同样功率下需要的转子直径大、导致体积重量大,2是不利于涡轮效率的提高。
电力传动则可以选择更加合适的高转速,同时如你所说可以在低负荷下只开一台主机(新墨西哥号、田纳西级和科罗拉多级都是2台汽轮发电机),以提高轮机的负荷率、提高热效率。所以当时电力传动确实具有比齿轮传动更低的油耗。与姊妹舰相比,17节时电力传动的新墨西哥号日油耗约187吨,而其齿轮减速汽轮机驱动的姊妹舰密西西比号和爱达荷号则分别为226吨和245吨。

对于重量来说,在总功率不大的情况下电力推进不见得比齿轮减速汽轮机直接推进更重,因前述电力推进可以让主机额定转速更高、尺寸和重量更小,同时功率不大的电动机比重量也相对不大。所以初期战列舰使用电力传动,在比重量上应没有明显劣势。
但当推进功率很高的时候,电动机的重量直线上升。再加上二级齿轮减速器的应用同样可以提高主机额定转速、降低重量,电力传动比重量就处于劣势了。
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下士

五年服役纪念章

发表于 2014-11-2 09:42:21 | 显示全部楼层
克虏伯兄,小白请教:
1、当时早期的无畏级战列舰上蒸汽轮机那么高的转速是直接推动螺旋桨转动的吗?会不会转速过快?
2、蒸汽轮机的高转速,轴承是什么样的?滚珠、滚柱还是类似现代的油楔滑动轴承?
3、当时的锅炉有没有采用油煤混烧设备,这样的设备燃油怎么使用,是喷射燃烧吗?
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-11-3 08:53:07 | 显示全部楼层
左武卫将军 发表于 2014-11-2 09:42
克虏伯兄,小白请教:
1、当时早期的无畏级战列舰上蒸汽轮机那么高的转速是直接推动螺旋桨转动的吗?会不会 ...

老兄过谦了。
我也不是很懂,不过是从书上各型战舰的动力装置的零星描写,结合锅炉汽轮机内燃机等浅显知识臆测而已。
1.早期没有减速器的时候,只能将汽轮机设计转速降低到满足螺旋桨转速的程度,一般300转/分左右。
2.没研究过。有兴趣的话找几本船舶结构类的书籍查阅一下吧。应该是复合结构,因螺旋桨要施加给主轴巨大的轴向推力,所以至少要有一个推力轴承或者起到同样作用的轴承结构。
3.英国最晚从无畏号开始就使用油煤混烧锅炉,前无畏舰我没研究不知道有没有用的。这种混烧锅炉主体结构是燃煤锅炉,且是层燃炉,也就是将煤投在炉篦上以煤床的形态,从下方通风燃烧。混烧锅炉不过是额外有喷油口,可以向煤层上喷洒重油或煤焦油。相比于煤炭,重油不仅自身易燃,还可以改善煤层的燃烧效果,故此可以显著提高锅炉热功率。
日本的混烧锅炉其实与上述是一样的,不是特殊技术。
混烧锅炉的燃烧几乎全部发生在煤床上,而纯燃油锅炉没有炉篦,燃烧全部发生在炉膛空间内。
也因此,混烧锅炉对喷油嘴的要求不高,直接以液态形式喷到炽热的煤层上即可,而纯燃油锅炉的喷油嘴不同,必须将燃油良好雾化,使得油滴在落到炉底之前就完全燃尽,免得炉底聚集液态燃油,发生剧烈燃烧而损坏锅炉。
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下士

五年服役纪念章

发表于 2014-11-21 11:37:49 | 显示全部楼层
克虏伯火炮 发表于 2014-11-3 08:53
老兄过谦了。
我也不是很懂,不过是从书上各型战舰的动力装置的零星描写,结合锅炉汽轮机内燃机等浅显知 ...

克虏伯兄真的很谦虚,谢过了!
不像其他论坛的“牛人”一副牛逼哄哄的样子,真的很感谢!!
另外,兄弟想请教蒸汽轮机的转速不是非常高的吗,这中机械属于高转速低扭矩结构,那直接低速传动的话功率不是很低吗?
还有当时的舰用蒸汽轮机减速器有那么难搞吗?非得要等到20世纪以后才发明,难道是材料方面的原因?

这方面兄弟比较小白,还望克虏伯兄给不吝解惑。。。
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-11-21 17:07:16 | 显示全部楼层
蒸汽轮机转速确实是足够高才有利于效率的提高。
当时有困难的应该是大功率齿轮减速器。
我不清楚具体情况,但从机械设计和制造的角度来说,产品尺寸放大后,有时从结构材料性能、加工和热处理设备尺寸等各方面就都会受影响,甚至会受到一些物理因素的影响。
简单的说比如受淬透性的影响,小尺寸的钢铁零件很容易热处理,但大尺寸零件有时候淬火就“淬不透”,因此必须更换材料或者变更结构、工艺等才能解决。
只有相关设备、工艺等达到了相应的技术水平,“放大型”的产品才成为可能。
美国20世纪初早就有了12寸炮,但开发14寸炮的时候也遇到相当的困难,应该就是这个道理。
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下士

五年服役纪念章

发表于 2014-11-26 12:31:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 左武卫将军 于 2014-11-26 12:33 编辑
克虏伯火炮 发表于 2014-11-21 17:07
蒸汽轮机转速确实是足够高才有利于效率的提高。
当时有困难的应该是大功率齿轮减速器。
我不清楚具体情况, ...

恩,就跟淬火钢一样,普通的薄板刀刃淬火和大厚度装甲钢板淬火工艺难度完全不是一个级别!
果然是有这方面的原因,再次谢过克虏伯兄!
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列兵

发表于 2015-1-7 14:40:56 | 显示全部楼层
好文赞一个
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列兵

二年服役纪念章

发表于 2015-1-17 11:28:14 | 显示全部楼层
十万分感谢   可惜脑残看不懂结构图  无奈
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一等兵

二年服役纪念章

发表于 2015-2-9 15:46:50 | 显示全部楼层
好文值得一读 貌似螺旋桨性状导致的效率也是个很重要的燃料消耗和航速影响因素 不知道大大可有介绍
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一等兵

二年服役纪念章

发表于 2015-2-9 16:04:06 | 显示全部楼层
克虏伯火炮 发表于 2014-9-25 10:27
油耗有很多衡定方法,适用于不同的计算。

单位里程油耗对于评定船舶的续航力是最直观最有价值的参数之一, ...

看完全文 没想到这里还有好贴 这个资料真是没话说 说的不能再细了
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列兵

发表于 2015-2-13 17:35:25 | 显示全部楼层
我这个小白学习到不少东西
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